颜色检测技术在活化能实验中的应用

时间：2022-03-09 理论教育版权反馈

【摘要】：以可编程颜色传感器TCS230为核心，结合单片机测量和控制技术，替代人眼自动识别并判定终点，测定在不同温度下碘化钾与过氧化氢反应的反应速度常数，提出以颜色传感器的输出频率变化作为监测反应进行的新思路。本研究的内容主要是对颜色检测系统进行试验筛选并整合。

颜色检测技术在活化能实验中的应用

熊　辉　冯文杰　莫婉玲　周锦兰　梅付名　王洪伟　李　涛

（华中科技大学化学与化工学院，湖北武汉430074）

摘　要：研制一种基于颜色传感器的集成光电检测系统。以可编程颜色传感器TCS230为核心，结合单片机测量和控制技术，替代人眼自动识别并判定终点，测定在不同温度下碘化钾与过氧化氢反应的反应速度常数，提出以颜色传感器的输出频率变化作为监测反应进行的新思路。在反应过程中无色和蓝色的频率差为80Hz时，线性相关度可达到0.998，计算得到碘化钾与过氧化氢反应活化能为56.27kJ/mol。实验结果令人满意，并成功应用于本科物理化学实验教学；为物理化学实验领域引入一种高效的光电检测方法，为开发新的基础化学实验提供了一种新思路和有效的手段。

关键词：颜色传感器　反应速度常数　活化能　物理化学实验

反应速度常数及活化能的测定是物理化学实验课程中非常重要的一个本科教学实验，实验目的是要求学生通过在不同温度下测定碘化钾与过氧化氢反应的反应速度常数，并计算反应的活化能。测定的方法是：在KI的酸性溶液中，加入一定量的淀粉溶液和已知浓度的Na₂S₂O₃溶液，然后一次加入一定量的H2O₂溶液，溶液中进行以下反应。

实验成功的关键在于保证碘离子浓度不变的前提下记录到溶液变色的时刻。而溶液变色的过程是由无色逐渐加深变蓝，学生对颜色的判断不敏感，导致每组学生对溶液变色的时刻把握不同而产生人为实验误差，使每次加入硫代硫酸钠的时间与反应进程不匹配，影响后续的实验数据，导致很大的实验误差。通过引入光电传感器，用仪器来代替人眼的判断，在溶液颜色变化时给学生以提示，由于对颜色变化的灵敏度提高，实验精度也会有所提高。

对颜色变化的测量，实验室常用的是比色计或分光光度计，但存在体积大、价格贵，不能进行连续检测，零点漂移大等问题，不适用于反应过程中在线检测。本文旨在研制一种适用于实时反应溶液颜色检测的微型装置，并与反应速度常数及活化能测定实验装置集成在一起，具有空间小、重量轻、可高度集成化、检测速度快等优点。通过试验筛选并整合优化，使装置具有通用性和可扩展性。同时提高实验的精度，增强实验装置的灵敏度。

本实验系统的研制，将给化学实验技术领域带来一种高效的光电检测方法，并为开发物理化学实验提供了一种新的思路和有效的手段，既有利于提高资源有效利用率和保护环境，又可提高学生的创新能力，具有广泛的应用前景和潜在的经济效益。

1　实验部分

1.1　实验仪器及试剂

实验仪器及试剂见表1。

表1　实验仪器及试剂

1.2　实验步骤

用移液管取10mL KI溶液，加到250mL容量瓶中，用水稀释到体积约为容量瓶体积的2/3，用量筒量取2mL H2SO₄溶液，加蒸馏水稀释至10mL，然后倒入装有KI的容量瓶中，并滴加10滴淀粉溶液，再用蒸馏水稀释到容量瓶刻度，摇匀倒入500mL烧杯内。调节恒温磁力搅拌器的温度控制为30℃，待内外温度平衡后，从滴定管中滴下2mL标准Na₂S₂O₃溶液，随即从移液管加入10mL标准H₂O₂溶液的同时，打开颜色检测仪，当溶液变色，记下时间t，同时迅速从滴定管中加入2mL Na₂S₂O₃溶液，此后每当烧杯中反应溶液变色时记下时间，并加入2mL Na₂S₂O₃溶液，直到所加入的Na₂S₂O₃溶液总量达16mL时，停止实验。使反应溶液在40℃的条件下，以同样的方法重复实验。只要测出不同时刻t时H₂O₂的浓度C_t（C_t可以通过记录各次蓝色出现的时间而求得），以lnC_t对t作图，就可以求出直线的斜率。其斜率＝-k＇＝-kC_r（其中C_r为I^-浓度），从而可以求出在该反应温度下的反应速度常数k。最后根据阿伦尼乌斯公式计算反应的活化能。

1.3　实验方法

1.技术原理

根据光与溶液颜色理论，黄色光的互补色为蓝色，黄色的光通过蓝色溶液，被溶液吸收的最多，也就是透过溶液的光强最弱，当溶液变为黄色，那么黄色的光源透过溶液的光强很强。

近年来，半导体发光二极管LED作为一种经济的微型光源逐渐引起了人们的关注。LED是一种可发射准单色光、体积小、寿命长和廉价的发光器件，虽然在发光强度、光谱纯度、聚光性等方面不及半导体二极管激光器，但可以简化检测器的结构，大大降低检测器的成本。它还具有能耗低、输出功率稳定、体积小、波长范围较宽，有较高的亮度和很长的寿命等优点。系统拟使用的发光二极管发出可见光光谱范围是560～620nm，光强峰值波长在585nm，属于黄光。

检测系统采用光电传感器，它的作用是将光信息转换为电信号，利用光敏器件作为检测元件的传感器。光电传感器对光的敏感主要是利用半导体材料的电学特性受光照射后发生变化的原理，即利用的是光电效应。它可以与LED组合工作。实验中我们通过溶液对特定的光束光强的吸收，调节入射光和出射光的角度，确定最大吸收波长。

2.研究内容

在实验过程中，是否滴加硫代硫酸钠要通过样品溶液的颜色变化来判断。由于人的主观因素，在鉴别色差时存在着差异，所以用肉眼来判断颜色变化会造成较大误差。采用光电检测技术来实时监测溶液颜色的变化，避免了反应溶液颜色观察的人为因素，极大地减少了滴加时间的判断误差。所以检测滴定溶液颜色信号是该研究的关键点。本研究的内容主要是对颜色检测系统进行试验筛选并整合。

通过7段数码管作为时间及其他关键参数的显示器件；根据变色所对应的RGB值作为判别的临界值，采用RGB editor软件选取；检测系统采用TCS230颜色传感芯片作为RGB颜色识别传感器，在测试到溶液颜色达到预设值后提示变色警报：蜂鸣器配合LED指示灯。选用PIC16F876A单片机作为处理器，测试参数通过USB口与上位机（PC机）建立连接，选用LABVIEW设计上位机软件。

3.TCS230颜色传感器

TCS230芯片是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器。它把硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个互补金属氧化物半导体（CMOS）电路上，同时在芯片上集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器。TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的晶体管-晶体管逻辑电路或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接。由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。

4.实验装置

如图1所示，本实验装置由下面几个部分组成：恒温搅拌系统、颜色检测系统和计算机系统。其中恒温搅拌系统是目前化学实验室普偏使用的现成装置。

图1　集成颜色测试仪的实验装置示意图

新改造的系统适合不同颜色的被测对象且总体造价为商品化测色仪的30%左右。同时其功能可以进一步扩展，通用性强。

2　实验结果与讨论

通过对传统实验装置和改进实验装置在相同反应条件（搅拌速度30r/m）下得到的实验数据，进行对比计算分析。

2.1　传统实验装置的结果

根据数据（表2、表3），分别以ln（V0-Vt）对变色时间t作图，结果如图2。反应温度31℃时，由图2可知，直线斜率m＝-0.000 196。其中k＝-m/C_r，C_r＝0.4×10/268＝0.0149mol/L。KT＝31℃＝0.000 196/0.014 9＝0.013 1s^-1；同样的得出KT＝41℃＝0.000 37/0.014 9＝0.024 8s^-1。

依据阿伦尼乌斯公式